Matériaux, structures et vie de l’ouvrage

Le pôle MSVO est chargé d’animer les activités du CETU dans les domaines des Matériaux, Structures et Vie de l’Ouvrage. Ces activités couvrent à la fois des projets d’ingénierie, des actions de recherche et doctrine, de formation, de normalisation, d’animation ou de participation à des associations et réseaux professionnels.

Dans le domaine des matériaux, l’accent est essentiellement mis sur : les bétons (tout particulièrement la formulation de bétons résistant à l’écaillage et les bétons projetés, très utilisés en souterrains), les matériaux d’étanchéité et les matériaux de protection passive contre l’incendie. Les matériaux excavés sont également une préoccupation majeure, afin de les valoriser et de limiter leur mise en dépôt.

Ces matériaux sont bien sûr mis en œuvre dans des structures qu’il s’agit de concevoir et de dimensionner. On peut distinguer le calcul « à froid » et le dimensionnement « sous incendie », évènement très redouté en tunnels. Ces deux volets requièrent des méthodologies et des outils spécifiques.

La vie de l’ouvrage est traitée principalement sous les angles de la surveillance et de la réparation du génie civil des tunnels creusés ; le CETU a une mission d’inspection des tunnels du réseau routier national non concédé ; au-delà, son rôle d’appui et de conseil pour la gestion patrimoniale des ouvrages souterrains concerne l’ensemble des maîtres d’ouvrage.

Connaissance des matériaux

Les matériaux intervenant dans la construction des tunnels sont nombreux. Certains sont très similaires à ceux utilisés en ouvrages d’art ou en géotechnique (armatures, treillis soudé, barres d’ancrage, bétons coulés ou projetés, mortiers, résines, etc.), tandis que d’autres sont spécifiques aux tunnels (produits pour tunneliers, boulons de type Swellex ou en fibre de verre, matériaux d’étanchéité, de protection contre l’incendie, parements rapportés à des fins esthétiques, acoustiques, etc.).

Les enjeux identifiés sont liés à des questions de formulation, mise en œuvre et durabilité : choisir les matériaux et formuler les bétons, projetés et coulés, en regard des performances attendues (résistance à l’écaillage, performances à court, moyen et long terme, apport possible des fibres ¹), définir leurs conditions de mise en œuvre, identifier les pathologiques liées à leur vieillissement, connaître les caractéristiques des matériaux de protection passive contre l’incendie ², rechercher des pistes pour mieux valoriser les matériaux excavés ³, etc.

La poursuite et l’élargissement des calculs d’ACV ⁴ à visée d’éco-conception permettent d’identifier les points sur lesquels prioriser les efforts de réduction des impacts en termes de choix des matériaux.

Pour les matériaux d’étanchéité, l’établissement de nouveaux référentiels techniques et l’instruction des demandes d’avis techniques CETU et d’avis d’expert AFTES restent une attente de la profession et une des priorités du CETU.

Dimensionnement des structures

Le dimensionnement à froid des structures recouvre d’une part la justification du soutènement, du revêtement (béton coffré ou voussoirs), des structures de second œuvre (dalles et cloisons des gaines de ventilation) et des structures extérieures (fausses têtes) des ouvrages neufs et, d’autre part, le recalcul de la portance d’ouvrages en cas de modification à effectuer ou de pathologies à analyser. Il doit pouvoir prendre en compte :

• l’interaction sol-structure ;
• le risque sismique, avec une augmentation, depuis 2008, des zones concernées ;
• l’impact des vibrations provoquées, le cas échéant, par des travaux de creusement à proximité d’un ouvrage existant.

Les enjeux, attentes et perspectives identifiés à ce jour concernent essentiellement la justification des voussoirs en béton fibré et celle, par le calcul et/ou l’expérimentation, de solutions technologiques innovantes (comme, par exemple, les BFUP ⁵ projetés).

Le dimensionnement en cas d’incendie, pour les travaux neufs comme pour la vérification des ouvrages en service, aborde les deux questions principales suivantes :

• la résistance de la structure sous l’action de la température ;
• la prise en compte de l’écaillage.

Ses enjeux sont particulièrement forts pour la mise en conformité des ouvrages existants. En fonction de la durée de résistance estimée par le calcul, les besoins de protection peuvent être sensiblement différents, avec des répercussions sur le coût et la durée des travaux, mais aussi sur le suivi de l’ouvrage. Une attente forte est de disposer d’une méthode fiable pour quantifier l’épaisseur d’écaillage à considérer, et de méthodologies et outils validés pour le recalcul des ouvrages existants.

Pour le dimensionnement au feu des ouvrages neufs, l’évaluation de la résistance à l’écaillage demeure une question essentielle car tous les bétons sont susceptibles d’être affectés par ce phénomène dès lors qu’ils sont soumis à des sollicitations thermiques extrêmement fortes (jusqu’à 1300°C en tunnels, avec une montée en température très rapide).

En parallèle à la prise en compte de l’écaillage, la méthodologie de calcul au feu, aujourd’hui bien établie pour les ouvrages de type tranchée couverte, doit être élargie aux tunnels creusés et notamment aux tunnels en voussoirs qui représentent la majorité des projets à venir.

Surveillance et réparation du génie civil des tunnels creusés

La surveillance et l’entretien de tout type d’ouvrages d’art nécessite un suivi organisé et régulier. Le CETU y contribue directement par les inspections détaillées des tunnels du réseau routier national non concédé (RRNNC) et, au moins indirectement, pour l’ensemble des tunnels, par le biais de sa documentation technique.

La surveillance des tunnels du RRNNC s’appuie sur le fascicule 40 : « Tunnel, Génie Civil et équipements » ; ce dernier sert également de référence pour de nombreux autres tunnels. Lorsque l’état de l’ouvrage le nécessite, les inspections sont complétées par des investigations complémentaires (essais destructifs et non destructifs) et/ou une instrumentation. Le but est d’établir un diagnostic de l’état de l’ouvrage et, si besoin, de rassembler les éléments nécessaires à l’élaboration d’un projet de réparation.

Par ailleurs, il devient de plus en plus difficile de restreindre, même temporairement, la circulation pour réaliser les inspections, avec, pour conséquence, une forte attente en France et à l’international, d’outils d’aide à la surveillance. Des recherches pour une automatisation partielle des inspections sont en cours. D’autre part, de nombreux ouvrages sont recouverts aujourd’hui par des parements rapportés (protections passives contre l’incendie, parement esthétiques ou acoustiques), nécessitant le recours à des méthodes d’instrumentation et de surveillance adaptées.

Concernant les méthodes de réparation, on retrouve le même enjeu de limitation des perturbations de l’exploitation, auquel s’ajoutent des contraintes budgétaires de plus en plus fortes. L’étude des coûts et délais revêt donc un caractère important. Les méthodes de réparation, extrêmement variées (soutènement, confortement, étanchement, traitements locaux ou généralisés…), doivent souvent être combinées au sein d’un même ouvrage. Certaines réparations du génie civil se rapprochent soit du soutènement des ouvrages neufs, soit des réparations des autres ouvrages d’art, avec un recours plus fréquent à la mise en œuvre des bétons par projection. Pour le traitement des venues d’eau, à l’origine de la plupart des désordres, les multiples techniques existantes font souvent appel à des procédés et produits très pointus. Ce domaine a beaucoup évolué au cours des dix dernières années vers des techniques plus légères en termes d’emprise sur le gabarit et d’impact sur l’exploitation.

Cartographie des documents de référence pour la conception et la réalisation de l’étanchement d’ouvrages souterrains neufs

L’étanchement est un enjeu majeur des ouvrages souterrains et ce domaine a fait l’objet de nombreux travaux d’études et de recherches.

Les productions issues de ces réflexions sont très diverses et il est parfois difficile pour les maîtres d’œuvre ou les maîtres d’ouvrages de trouver celles dont ils ont besoin. Pour les aider, une cartographie des documents de référence sur l’étanchement des ouvrages souterrains neufs a été élaborée par le CETU.

Elle s’attache à recenser, pour les procédés d’étanchement les plus courants, l’ensemble des éléments de doctrine disponible.

Elle permet également d’accéder à ces éléments en un seul clic (certains accès peuvent nécessiter une autorisation, abonnement que chaque visiteur pourra contracter individuellement s’il veut avoir accès à l’ensemble des contenus).

Enfin, elle met en évidence les procédés d’étanchement pour lesquels ils existent peu d’éléments de doctrine.

En cliquant sur les liens du tableau ci-dessous, vous accéderez directement aux documents de cette cartographie.

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